等离子喷焊制备镍基耐磨耐蚀复合涂层组织与性能研究

发布时间：2020-09-22 14:54

　　腐蚀与磨损是金属材料常见的失效形式。等离子喷焊作为表面修复和强化极具发展前途的新技术之一,有着广阔的应用前景。但涂层与基材的结合性差、易开裂以及孔洞存在等问题是一直是制约该技术推广的关键。本文采用PTA-400E-ST型等离子喷焊机,在45钢表面分别采用Ni60A自熔性合金粉、Ni60A+Ni Cr-Cr_3C_2和Ni60A+Ti-Fe复合粉制备了Ni基、Cr_3C_2增强型、原位生成Ti C增强型Ni基耐磨耐蚀复合喷焊层涂层,通过OA、XRD、SEM和EDS分析了不同喷焊层的组织结构特征;通过显微硬度分析、磨粒磨损试验以及电化学腐蚀试验研究了复合合金喷焊层的力学性能和耐磨耐蚀性能。研究结果表明:在45钢表面制备Ni基喷焊层时,焊接电流和焊接速度对镍基喷焊层质量影响显著,通过调整工艺参数,可获得无裂纹、气孔少,与基材结合性好的镍基喷焊层。在Ni60A粉中加入NiCr-Cr_3C_2时,粉体流动性变差,增大焊接电流、调整焊接速度和增加送粉气,可有效减轻NiCr-Cr_3C_2对成型性带来的不利影响。在Ni60A中加入Ti-Fe粉时,粉末流动性变差,且Ti极易氧化,在Ni基喷焊层工艺参数基础上,增加焊接电流,提高保护气,可获得成型性较好、结合力强的原位生成TiC增强镍基复合喷焊层。Ni基喷焊层主要以γ-Ni、Ni_3Fe的柱状晶和枝晶为主,其间分布有少量(Cr,Fe)_(23)C_6和(Cr,Fe)_7C_3相,为典型的韧性相基体+硬质相组织。添加Ni Cr包裹型Cr_3C_2后,NiCr-Cr_3C_2的加入使得喷焊层碳化物硬质相增多,少量尖锐菱角Cr_3C_2颗粒分布其中,起到固溶强化和晶粒细化作用。喷焊过程中,Cr_3C_2首先溶解,形成固溶体;随着掺量增加,固溶达到饱和不再溶解,则以独立的增强相存在于基体中,当掺量达到15%时,Cr_3C_2的颗粒增强作用达到最大,同时大量尖锐棱角Cr_3C_2交织其中,进一步提高基体的韧性,试样硬度和韧性得到显著提高。在Ni60A粉末合加入4%的Ti-Fe合金粉后,喷焊层中有TiC、少量TiB_2出现,原因是Ti与C、B形成化合物反应沉淀析出,弥散分布在基体中。喷焊层强韧性的提高是由于(Cr,Fe)_(23)C_6、(Cr,Fe)_7C_3颗粒强化、TiC沉淀强化和细晶强化共同作用的结果。显微硬度结果表明,Ni基喷焊层平均显微硬度为605HV_(0.2);添加NiCr-Cr_3C_2后,当掺量在5%-15%时,喷焊层显微硬度随掺量增加而增大,在15%时达到最大值920HV_(0.2),而平均硬度为857HV_(0.2),这与15%时,Cr_3C_2晶粒细化和颗粒增强作用显著有关。添加2%-4%Ti-Fe合金粉可原位生成TiC,TiC在冷却过程中原位沉淀析出。喷焊层显微硬度随Ti-Fe掺量增加而增大,在掺量为4%时喷焊层显微硬度可达904HV_(0.2),平均显微硬度为865HV_(0.2)。磨损试验结果表明,Ni基喷焊层磨损失重率为1.24%;在Ni60A中添加NiCr-Cr_3C_2,随着NiCr-Cr_3C_2掺量增加,磨损失重率先降低后增加,在15%时耐磨性最好,磨损失重率降低至0.95%,较镍基喷焊层提高约23%;对于TiC增强镍基喷焊层,喷焊层耐磨性随Ti含量增加而增加,与纯Ni基喷焊层磨损试样相比,掺4%Ti-Fe后喷焊层磨损面几乎看不到犁沟,仅有少量划痕和剥落坑,磨损失重率从1.24%降至0.95%,耐磨性提高约35%。说明两种强化方式中,采用原位生成TiC增强Ni基喷焊层对材料耐磨性能提高更有效。在0.5mol/L盐酸介质中电化学腐蚀试验结果表明,添加NiCr-Cr_3C_2、Ti-Fe均能大幅提高Ni基喷焊层耐腐蚀性能,耐腐蚀性顺序由大到小为Ti-FeNiCr-Cr_3C_2Ni60A。镍基喷焊层自腐蚀电位为-0.2506V,自腐蚀电流为1.133×10~(-6)mA。添加NiCr-Cr_3C_2后,当掺量为10%-20%时,喷焊层随掺量增加耐蚀性提高,10%和15%掺量时自腐蚀电流分别为1.724×10~(-7)mA和2.509×10~(-7)mA,较纯Ni基喷焊层降低一个数量级且在10%掺量时耐蚀性最好;添加2%-4%Ti-Fe合金粉后,喷焊层随掺量增加而耐蚀性提高,4%掺量时自腐蚀电流3.044×10~(-7)mA,腐蚀电流减小,材料耐蚀性最好。并且TiC增强Ni基喷焊层在酸性耐磨耐腐蚀条件环境下,比Cr_3C_2增强Ni基喷焊层具有更好的经济性和使用性能。综上所述,在Ni基合金喷焊层中采用Cr_3C_2、原位生成TiC增强方式,均能显著提高材料的耐磨耐蚀性。但采用廉价易得的钛铁合金原料,选择适宜的喷焊工艺,能够得到性价比更高、耐磨耐蚀性能更优的复合涂层。该研究结果对于石油化工、矿物加工等行业的耐磨耐蚀材料开发、再制造具有较大的指导作用。
【学位单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

示意图,热喷涂,过程,示意图

图 1.1 热喷涂过程示意图Fig1.1 The process diagram of thermal spraying热喷涂技术作为表面改性技术之一，具有以下特点[14]：（1）基材选择范围宽；（2）喷涂技术材料取材范围广，喷涂材料可以选择金属、陶瓷、复合材料、石墨等。（3）基体材料受热影响小，不会产生较大应力和变形。（4）功效高，操作程序少，速度快，施工方便。（5）涂层厚度可控，可以从十几微米至十几毫米。（6）多样的涂层性能，可以形成耐磨、隔热、抗氧化、耐蚀、防辐射等具有各种不同特殊功能的涂层。目前常用的热喷涂方法有等离子喷涂，火焰喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂等。在喷涂前，工件都要进行喷砂，打磨等预处理，增大基材表面的粗糙度，用以提高涂层与基材金属之间的结合强度[3]。陈洋[15]等利用超音速火焰喷涂成功制备了超过 200μm 的Cr2AlC 陶瓷涂层，涂层与基材之间结合强度高，涂层组织致密、较低的孔隙率，并且喷涂过层中粉末未发生明显的氧化现象。He[16]采用等离子喷涂在铝合金表面制备

示意图,等离子喷焊,焊枪,原理

表面和合金粉末喷焊过程中不受氧化，从而提高喷焊层质量。f）沉积效率高，调节性能好，容易操作。图1.2 等离子喷焊焊枪原理示意图Fig1.2 Welding pistol schematic diagram of plasma spraying welding process基于以上特点，等离子喷焊技术已广泛应用于材料表面强化与防护中，在航空、航天、冶金、机械等领域的作用尤为显著。宋强[28]等针对石油化工行业中重要零部件的磨损问题，采用等离子喷焊技术喷焊Ni基和Fe基自熔性粉末合金制备得到呈冶金结合的喷焊层，其耐磨性较基体分别提高了6倍和4倍。王彦红[29]采用等离子喷焊成功制得WC增强Fe基合金喷焊层，当WC含量为10%时，耐磨损性能最好，较不添加WC的Fe基合金喷焊层提高了一倍。Wang Xibao[30]等人对粉末材料在等离子喷焊时的输运及影响其的主要因素，研究结果对粉末材料的选择和喷焊工艺的制定提供了理论基础。王红英等[31]试图改变喷嘴的结构来提高等离子喷焊的效率，通过提高喷距，使用小压缩孔喷嘴的结构提高熔覆的速度

示意图,金属阳极,极化曲线,示意图

图 1.3 金属阳极极化曲线示意图Fig1.3 Anode polarization curves diagram of metalE=Ee，m→Ecr。金属电极按正常阳极溶解规律进形式溶解为水化离子。M→Mn++neE=Ecr→Ep。电位达到临界钝化电位 Ep，金属开始成过渡氧化物3M+4H2O→M2O3+8H++8ep→Ept。此区域金属以稳定电流密度值速度溶解，耐蚀性较好的高价金属氧化物。2M+3H2O→M2O3+6H++6e＞Ept，过钝化电位从 Ept 开始，电流密度随电位升薄膜失效并溶解，进一步发生腐蚀。可以得到自腐蚀电位 Ecorr、自腐蚀电流 Icorr，以曲线有维稳平台时以 logip作为评价耐蚀性的标准

【参考文献】